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Messgerät

Gerät zur Bestimmung physikalischer Größen
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Messgeräte dienen zur Bestimmung von geometrischen und physikalischen Größen. Meistens führen sie eine zu messende Dimension auf eine bekannte Größe bzw. Einheit zurück. In diesem Artikel wird versucht demjenigen, der eine Messung durchzuführen hat, an die Begriffe der Messinstrumente zu führen. Deshalb unterscheidet der Artikel nicht zwischen Messgeräten als Messmittel und Prüfgeräten (siehe auch Prüfmittel), wie es die grundlegende DIN 1319-2 tut:

Prüfgeräte stellen fest, ob der geprüfte Gegenstand die geforderten Bedingungen einhält oder nicht. Prüfen ist immer mit einer Entscheidung verbunden und damit attributiv oder quantitativ, beispielsweise wird zwischen Gut und Schlecht (attributiv) oder zwischen Sollmenge erreicht und Sollmenge nicht erreicht (quantitativ) entschieden. Im Gegensatz hierzu geben Messgeräte einen Messwert, bestehend aus dem Produkt von Zahlenwert (Maßzahl) und Maßeinheit, wieder, der ohne Wertung dargestellt wird. Bei Norm-Messgeräten kann die Zuordnung fließend sein. Neben der Anzeige von Werten, die eine echte Messung ermöglicht, kann auch eine Aussage, das heißt eine Wertung ausgegeben werden.

Messgeräte zum Testen von anderen Messgeräten dienen der Kalibrierung, Eichung oder Bestimmung der Genauigkeitsklasse. Dabei ist die Versuchsanordnung auf unvermeidliche kleine Messfehler abzustimmen (zufällige und systematische Fehler).

Anmerkungen:

Messung nicht-elektrischer Größen

Grundlegende Messgeräte

Ohne die grundlegenden Messgeräte zur Bestimmung der Zeit und zur Messung von Längen sowie dem simplen Zählen können keine anderen Messgeräte hergestellt bzw. benutzt werden. Andere Größen, auch Basisgrößen werden abgeleitet oder aber die Messgeräte werden durch Anwendung dieser Größen bestimmt.

Zeitmessung

Hauptartikel: Zeitmessung
 
Wanduhr mit Pendelwerk

Die Zeit wird mit verschiedenen Uhren gemessen.

  • Sonnenuhren sind historisch, Anwendung nur noch in Einzelbereichen (Lehrzwecke, Dekoration)
  • Sanduhren sind historisch, Anwendung nur noch in Einzelbereichen
  • Wasseruhren sind historisch (zur Zeitmessung – nicht Durchfluss!)
  • Blumenuhren sind sehr ungenaue Vorrichtungen zur Zeitmessung, jedoch sehr hübsch anzuschauen. Verwendung als Schaustücke, zu Lehrzwecken.
  • Feueruhren sind Zeitmesser, die mit einer Flamme funktionieren.
    • Zeitkerzen sind historisch, Anwendung nur noch in Einzelbereichen
    • Zeitlampen sind historisch, Öllampen mit skaliertem Glasbehälter
  • Funkuhr empfängt das genaue Zeitsignal einer Atomuhr per Funksignal.
  • Pendeluhr misst die Zeit über die Schwingungsdauer eines Pendels.
  • Passageninstrument misst die Durchgangszeit von Sternen (kombiniert mit Chronograf).
  • Chronometer misst die Zeit (mechan. Kurzschwinger oder Quarzuhr)
  • Chronograf misst die Zeit (mechan. bzw. Quarz) und zeichnet oder druckt den Zeitverlauf auf (oft mit einer anderen Größe gemeinsam, z.B. Sterndurchgänge.
  • Stoppuhr mechanisch oder elektrisch / elektronisch
  • Kurzzeitwecker mechanisch oder elektrisch mit akustischem, optischem Wecksignal oder/und Schaltmöglichkeit
  • Quarzuhr misst die Zeit mit einem durch Schwingquarz gesteuerten Oszillator.
  • Intervallzähler misst Frequenzen und Zeitintervalle auf Basis eines Oszillators.
  • Atomuhr misst die Zeit aufgrund der hohen Konstanz von atomaren Schwingungen. Mit Wasserstoffmasern die genauesten derzeit verfügbaren Uhren.

Längenmessung

Datei:Nivellierlattenablesung.jpg
Messlatte: Entfernung 15,7m (Abschnitt x 100)
 
Knopfmaß (erster Messschieber)
 
Metallmaßstab Zoll/Millimeter
 
einfaches Messrad

Prinzipiell unterscheiden wir zwei einfache Formen der Messmittel: das Strichmaß, welches das Maß durch den Abstand zwischen zwei Strichen verkörpert und das Endmaß (das Urmeter etwa), bei dem das durch den Abstand zweier Flächen geschieht.

Siehe auch: Daumensprung und Sichtweite

Zählen

 
Stückzähler
 
Stückzähler Innenansicht

Zählen ist prinzipiell das elementarste Messprinzip: Auch bei der Zeit- oder Längenmessung wird oft schlicht gezählt.

Zählen im messtechnischen Sinne ist das Bestimmen der Anzahl (siehe auch Stückmenge):

Weitere Messgeräte elementarer Größen

Flächeninhaltsmessung

Messgeräte der Flächeninhaltsmessung (Planimetrierung)

Volumenmessung

Die Bestimmung sowohl des Hohlvolumens als auch des Volumens fester Körper, von Flüssigkeiten oder Gasen wird historisch durch Hohlkörper oder skalierte Messgefässe realisiert, meist aber über Volumenberechnung. (Fehlt hier etwas? s.a. Messungen an Flüssigkeiten weiter unten)

Winkel- und Richtungsmessung, Ortsbestimmung und 3D-Messungen

 
Theodolit (um 1820) zur Triangulierung
Hauptartikel: Winkelmessung, Richtungsmessung, Ortsbestimmung

Geodäsie: Alle Geräte für die Winkelmessung im Gelände sind auch (unterschiedlich gut) für die Standortbestimmung geeignet. Hierzu werden Landkarten oder Koordinaten benötigt. Durch Winkelmessung und Strahlensatz lassen sich Höhe oder Höhendifferenz von Objekten berechnen.

 
Sekundentheodolit DKM2-A

Masse / Gewichtskraft / Dichte

Die Gewichtsmessung ist ein Fachgebiet der Massenmesstechnik. Während früher Waagen vor allem durch den geschickten Aufbau der mechanischen Elemente wie Hebel, Gewichte oder/und Federn bestimmt wurden, ist die Wägetechnik heute durch die Elektronik geprägt.

 
Balkenwaage

Temperatur

Thermometrie ist die Wissenschaft von der Temperaturmessung – Messung durch Thermometer in verschiedenen Ausführungen.

Frühe Thermometer

 
Thermografie: Kaffeeautomat und thermische Spiegelung

Moderne Thermometer

Siehe auch: Kategorie Temperaturmessung, Temperaturmessung

Messen elektrischer Größen

Prinzipiell unterscheidet man zwischen Analog- und Digitalmessgerät beziehungsweise -messwerk. Beim Analogmessgerät muss mit einem Parallaxefehler gerechnet werden.

Spezielle Geräte für eine Größe

 
Wheatstonebrücke-Messgerät
 
Historisches Drehfeldmessgerät

Magnetfeld

Messen von Radioaktivität und Strahlung

 
Geiger-Müller-Zähler
Hauptartikel: Strahlungsdetektor, Teilchendetektor

Siehe auch

Ergänzendes zum Thema

  • Marinelli-Becher: Vorrichtung für eine besondere Art der Messung von Radioaktivität.

Abgeleitete Messgeräte

Sind aus den ursprünglichen Messgeräten entstanden

Geschwindigkeit

Datei:Polizei geschwindigkeitsmessung.jpg
Laserpistole im Einsatz

Die Geschwindigkeit ist der Quotient aus Weg und Zeit.

  • Der Tachometer zeigt im Fahrzeug die Fahrtgeschwindigkeit an.
  • Der Tachograph zeichnet die Geschwindigkeit auch auf.
  • Das Log misst die Geschwindigkeit bei Wasserfahrzeugen
  • Der Fahrtmesser misst die Geschwindigkeit bei Luftfahrzeugen.
  • Das Variometer gibt die Steig- oder Sinkgeschwindigkeit bei Luftfahrzeugen an.
  • Radargerät misst die Geschwindigkeit über den Dopplereffekt der von einem Radarsender erzeugten und vom Fahrzeug reflektierten Radarwellen.
  • Lidar: Lidar steht für "light detection and ranging" und ist eine dem Radar ("radiowave detection and ranging") verwandte Methode zur Fernmessung atmosphärischer Parameter.

Drehzahl

  • Drehzahlmessgerät: mechanisches oder elektronisches Messgerät, häufigste Anwendung im KFZ-Bereich, gibt eine Aussage über die Umdrehungen eines Aggregats (Motor, …). Bei bekannter Übersetzung können auch Geschwindigkeit und Weg darüber ermittelt werden.
  • Gyrometer: (historisch) mechanischer Aufbau zur Drehzahlbestimmung

Beschleunigung

Die Beschleunigung ist die Geschwindigkeitsänderung pro Zeiteinheit.

Zurückgelegter Weg

  • Hodometer sind (allgemeiner Begriff) Wegmesser.
  • Kilometerzähler misst den zurückgelegten Weg, KFZ …
  • Bei einem Taxi wird auf Basis von Weg und Zeit mit einem Taxameter der zu entrichtende Fahrpreis errechnet.

Messungen an Flüssigkeiten und Gasen

 
Durchflussmesser mit Flügelrad

Siehe auch: Mostwaage Wein, Laktodensimeter Milch, Bierspindel Bier, …

gängige Verfahren: Radarsensor, Ultraschallsensor, Kapazitiver Sensor, Konduktometrie, Schwimmerschalter nur ein oder zwei Schaltpunkte und Thermografie
  • Echolot zur Bestimmung der Wassertiefe oder dem auffinden von schallaktiven Objekten im Wasser (seltener in Luftfahrt) s.a. Barcheck-Verfahren zur Kalibrierung eines Echolots
  • Tensiometer messen die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit
  • Potetometer messen den Wasserverbrauch einer Pflanze
  • PH-Meter messen den PH-Wert (Säure, Lauge) einer Flüssigkeit
  • Transmissiometer in der Umwelttechnik Bestimmen des Staubgehalts/Menge eines Gases in Abluft
  • Trübungsmessgeräte (Nephelometer) bestimmen den Anteil von partikulären Feststoffen in einer Flüssigkeit.

Messungen an Feststoffen

Alle Messgeräte zur Längenbestimmung und der Dichte, des Gewichts und Härtemessgeräte sowie Röntgengeräte können ebenfalls bei Feststoffen eingesetzt werden.

Meteorologische Instrumente

Die folgenden Messgeräte werden in der Meteorologie und natürlich aber auch in anderen technischen Bereichen eingesetzt.

Siehe auch: Kategorie:Meteorologisches Messgerät

Messung der Lichtmenge / Helligkeit / Farbtemperatur

 
Luxmeter mit externer Messzelle

Schall / Schallpegelmessung

Schallpegelmessgeräte messen in den meisten Fällen den Schalldruckpegel. Zu diesem Zweck enthalten sie ein präzises Mikrofon, eine hochgenaue Verstärkerschaltung und eine logarithmische Anzeige. Der Schalldruckpegel wird aus allen Richtungen gleich gut empfangen, weshalb Position und Orientierung des Geräts keine Rolle spielen. Die Messgeräte werden in den meisten Fällen zur Bestimmung von Lärmbelastungen am Arbeitsplatz und im Straßenverkehr verwendet. Ein weiterer Einsatzzweck ist die Bestimmung von Schwingungen und Laufgeräuschen an technischen Geräten und der Untersuchung von Gegenmaßnahmen auf ihre Wirksamkeit.

Kombinierte Geräte

  • Thermohygrograph beispielsweise bei Museen
  • Multifunktions-Umweltmessgerät – Messung von Größen aus der Umwelttechnik, beispielsweise Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Beleuchtungsstärke und Schallpegel. Diese Geräte sind mittlerweile für wenig Geld zu haben. Ihre Messgenauigkeit ist jedoch nicht mit hochwertigen Geräten zu vergleichen. Einsatz oft im Schulbereich oder für Heim-Anwendungen.

Universelle Messgeräte für verschiedene elektrische Größen

 
Digital-Multimeter

Diese Geräte sind nicht für einen speziellen Anwendungsfall entwickelt:

  • Multimeter: Universalmessgeräte für Spannung (~/=, mit entsprechnder Prüfspitze auch Hochspannunsmessung möglich), Strom (~/=), Widerstand (teilweise auch Isolationswiderstand und Durchgangsprüfung), Diodentest, Verstärkungsfaktor von PNP/NPN-Transistoren, Anzeige des zeitlichen Verlaufs einer elektrischen Grösse (Multis mit graphischer Anzeige), Min/Max/Mittelwertanzeige, Kondensatorkapazität, Temperatur (mit entsprechenden Geber), Logiktester (Pegel einstellbar), Vorgabe einer Spannung/Pegel/Strom(senke)(auch zeitliche Verläufe einer der Größen vorgebbar)). Wobei erst die Digitaltechnik alle Messungen und Prüfungen in ein Gerät vereint hat. Industriemultimeter sind in einem bestimmten Zeitraum eichpflichtig.
  • PC-Messkarten dienen der Darstellung und digitalen Erfassung physikalischer Größen.
  • RCL-Messgerät zur Bestimmung von Widerstand, Kapazität und Induktivität
  • SMUs kombinieren Multimeter mit Labornetzteil zur Versorgung und Stimulation des Prüflings
  • SMMUs vereinen SMU mit einem Multiplexer der sowohl die Spannungen / Ströme des Netzteils in den Prüfling einspeist, als auch die Verbindung zwischen Prüfling und Mess-System herstellt.
Analoge Messgeräte: Full Scale Output

In der Messtechnik werden bei Zeigerinstrumenten (z.B. dem Analogmultimeter), die Toleranzangaben (maximale Abweichung des Anzeigewertes vom tatsächlichen Wert)in %FSO angegeben. Damit ist die maximale Abweichung bei Vollausschlag des Instruments gemeint. Ein Messgerät mit einem Vollausschlag von z.B. 100V und einer Toleranz von 0,5%FSO kann also maximal 0,5V, in seiner Anzeige, vom tatsächlichen Wert abweichen. Daher gilt bei Messgeräten mit dieser Toleranzangabe als Richtlinie zur Messung, dass der Anzeigewert möglichst im oberen Drittel der Anzeige liegen soll. Damit wird der Fehler bei der Messung so weit wie möglich minimiert.

Analytische Messgeräte

Industrielle Messtechnik / Produktionsmesstechnik / Gewerbliche Messtechnik

Diese Geräte werden in den meisten Fällen zur Herstellung eines Produktes verwendet oder dienen der Qualitätssicherung der Produkte beziehungsweise der Abrechnung von Leistungen.

Mehr zu diesem Thema siehe auch Werkstoffprüfung

Messung von Materialeigenschaften

Härteprüfung

Eine definierte Krafteinwirkung führt zu einer bleibenden Verformung des Testkörpers oder einem Eindringen einer Prüfgeometrie in den Testkörper. Die Messgeräte werden nach dem angewandten Verfahren bezeichnet. Beispiel: Brinell-Messgerät

Der Poldihammer dient zur Messung der Härte harter Werkstoffe mittels Schlaghärteprüfung

  • Härteprüfung nach Johann August Brinell: Eine Kugel wird in die Probe eingedrückt. Der Durchmesser des Kugeleindrucks ist das Maß für den Brinellhärtewert HB.
  • Härteprüfung nach Rockwell: Eine Kugel oder ein Diamantkegel wird in die Probe eingedrückt. Die bleibende Eindringtiefe wird gemessen und aus diesem Wert die Rockwellhärte HRx abgeleitet (x steht für C (engl. cone=Kegel), wenn mit Diamantkegel geprüft und für B (engl. ball=Kugel), wenn mit Diamantkugel geprüft wird).
  • Härteprüfung nach Vickers: Die Spitze einer vierseitigen Pyramide wird in die Probe eingedrückt. Die Diagonalen des bleibenden Eindrucks werden gemessen, aus deren Länge lässt sich der Vickershärtewert HV errechnen.

Die verschiedenen Verfahren sind je nach Art und Härte des zu prüfenden Werkstoffs unterschiedlich gut geeignet.

Norm-Messgeräte

Norm-Messgeräte – sind Messgeräte die eine Reihe von in einer Norm festgelegten Messungen durchführen. Diese werden meist auch protokolliert um eine Nachweisführung bei Gutachten zu ermöglichen.

Die Bezeichnung der Messgeräte geschieht nach der Norm.

Beispiel: VDE113 (EN60204) mit 10A – Schutzleiterprüfung, Hochspannungsprüfung, Widerstandmessung und Grenzbereicherkennung, Isolationsprüfung

Wichtige Norm-Messgeräte:

  • VDE100 Allgemein Test für Elektrogeräte
  • VDE113 (EN60204) Test für die elektrische Ausrüstung von Maschinen
  • Erdungstestgerät Funktionsfähigkeit der Fundament-Erder
  • Steckdosentester Normgerechter Anschluss (kleiner Teilbereich von VDE100)
  • Nachlaufwegmessgerät Bei hydraulischen Pressen um den zurückgelegten Weg nach einem Not-Stopp zu bestimmen.

Daten-/Kommunikationstechnik

Diese Norm-Messgeräte untersuchen die korrekte Ausführung der Kabelanschlüsse (Verbindung zwischen Stecker und Kabel und/oder die Physik der Datentechnik, also Pegel des Signals und Störungen. Im industriellen Bereich werden diese Geräte vor allem für Feldbusse oder Ethernet verwendet. Neben den Testern, also Geräten, die die Physik untersuchen, gibt es noch Protokoll-Analyse-Geräte, die den Dateninhalt untersuchen. Die Aufzählung gibt nur exemplarisch einige typische Geräte wieder.

Lokale Busse
Feldbusse
  • Profibus Tester: Pegelhöhe, Datendurchsatz, Umlaufzeit, Terminierung, Slave-Liste
  • CAN-Bus Tester: Error-Frames, Datendurchsatz,
  • AS-Interface-Bus Tester: Pegelhöhe, Slave-Liste, Slave-Nr. zuweisen
Ethernet

Ist aufgrund seiner Verbreitung das System für das es die größte Anzahl von Analyseprogrammen gibt. Hier eine kleine Auswahl ohne Wertung …

  • Ethernet-Cabel-Check-Tester: Thin Ethernet (RG98U), Thick Ethernet (yellow cable), RJ45
  • MRTG Analyse: Multi Router Traffic Grapher Darstellung Netzwerkverkehr unter anderem
  • Ethereal oder WireShark Analyse: Verwendete Datenkanäle eines Netzwerks, Daten, Protokolle
  • nmap Analyse: Netzwerk-Scanner mit vielen Funktionen

Normale

Einige Normale

Hier sind einige Normale wiedergegeben, diese Liste ist nicht vollständig. Nur einige Beispiele werden erwähnt, meist mit historischer Bedeutung:

Eichpflichtige Messgeräte

Messgeräte, deren Messergebnis zur Berechnung von gewerblichen Leistungen verwendet wird (beispielsweise Waagen im Handel, Wasserzähler), müssen eichgesetzliche Auflagen erfüllen. Das heißt, ihre Bauart muss von der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) zugelassen und die Geräte müssen geeicht sein, wobei eine Eichung nach einer bestimmten Zeit durch staatlich anerkannte Prüfstellen mit einem von der Eichbehörde zugelassenen Normal aufgefrischt werden muss. Das Eichgesetz definiert Eichfehlergrenzen, die für verschiedene Lastbereiche nicht überschritten werden dürfen.

Beispiele: Waagen, Wasserzähler, Gaszähler, Stromzähler, Wärmezähler, Kraftstoffzähler

Beispiel für ein ausnahmsweise erlaubtes nicht eichpflichtiges Messgerät: Heizkostenverteiler

Im April 2004 wurde die Europäische Messgeräterichtlinie (MID) veröffentlicht, deren Umsetzung in nationales Recht bis zum 20. Oktober 2006 stattfinden muss.

Eigensichere Messgeräte

Das Messprinzip von eigensicheren oder explosionsgeschützten Messgeräten ist den o.g. gleich, jedoch müssen diese Geräte besonderen Ansprüchen für ihren Einsatzfall genügen, die sie z.B. im untertägigem Berbau oder der (chemischen) Industrie finden. Richtlinien wie die 94/9/EG bzw. ATEX bestimmen die Anforderungen, die hinsichtlich elektrischer, mechanischer und auch werkstofftechnischer Vorgaben geprüft werden. Zugelassene Prüfstellen erteilen bei erfolgreicher Zulassung ein Zertifikat, welches Grundvoraussetzung für die Inbetriebnahme von Messgeräten in den besonderen explosionsgefährdeten Bereichen ist.

Medizinische Messgeräte / Messgeräte in der Medizin

für Messgeräte in der Medizin gelten besondere Regeln. Sie müssen die Vorschriften der MedGV, der Medizin-Geräte-Verordnung einhalten. Dies gilt aber nur für Messgeräte die a) als Medizinische Geräte eingestuft und b) in der anerkannten Medizin verwendet werden. Der Bereich der alternativen Medizin bleibt davon unberührt. So fallen das Teslameter, ein Biofeld-Messgerät oder die Körperfettwaage nicht unter die Bestimmungen.

  • Aktometer zum Erfassen der Bewegungsaktivität
  • Ergometer misst die körperliche Arbeit bzw. Leistung
  • Blutdruck-Messgerät damit wurde historisch häufig das von Riva-Rocci mit entwickelte Sphygmomanometer verbunden, bei der man manuell mit Manschette den systolischen Blutdruck bestimmen konnte. Heutzutage wird jedoch meist nicht mehr manuell mit Quecksilbersäule sondern oszillometrisch mit digitaler Anzeige gemessen. Neben diesen unblutigen Messverfahren gibt es noch klinische Verfahren, bei denen der Blutdruck in einem Blutgefäß direkt über einen Druckwandler gemessen wird. Siehe Blutdruckmessung.
  • Blutzucker Messgerät – Ist ein wichtiges Gerät für Diabeteskranke. Mit ihm wird der aktuelle Wert des *Glucose-Spiegels im Blut bestimmt. Neben der klassischen Methode, bei der ein Tropfen Blut benötigt wird, gibt es auch neuere Ansätze von Messgeräten die eine unblutigte Messung ermöglichen.
  • EKG-Geräte sind medizinische Geräte zur Anzeige und Aufzeichnung der Summe der elektrischen Aktivitäten aller Herzmuskelfasern.
  • EEG-Geräte sind medizinische Geräte zur Anzeige und Aufzeichnung der von außen messbaren elektrischen Aktivitäten des Gehirns
  • Fieberthermometer zum Messen der (menschlichen) Körpertemperatur
  • Kapnometer, Kapnographen um den Kohlenstoffdioxidgehalt der Ausatemluft eines Patienten zu messen und zu überwachen.
  • Körperfettwaage gibt neben dem Gewicht auch den Anteil von Körperfett an.
  • Skoliometer messen Neigungswinkel der Rückenoberfläche zur Horizontalen.
  • Spirometer zur Überprüfung der Lungenfunktion (Volumen und Volumenstrom)

Technische Hilfsmittel für Messungen in der Medizin

Sind eigentlich keine Messgeräte, werden aber für Messungen verwendet:

Siehe auch

Liste der Messwerkzeuge, Messfehler, Messgerätefehler, Ausgleichungsrechnung, Daumensprung, Digitalmultimeter, Fehlerrechnung, Fehlerfortpflanzung, Eichung, Kalibrierung, Messtechnik, Messeinrichtung, Phasenschiebeverfahren, Standardabweichung, Messgenauigkeit, Messunsicherheit, Protophysik, Registrierapparat, Sensoren, Messsysteme, Effektivwert, Echteffektivwert, Alte Maße und Gewichte, Geschichte von Maßen und Gewichten

Literatur

  • H.R. Tränkler: Taschenbuch der Meßtechnik, Oldenbourg, München 1992
  • Jörg Hoffmann: Taschenbuch der Messtechnik, Fachbuchverlag, Leipzig 2004
  • Wolfgang Schmusch: Elektronische Meßtechnik, Vogel Buchverlag, Würzburg 1991
  • Jörg Hoffman: Handbuch der Messtechnik, Hanser, München 2005
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